一种大尺寸多孔碳材料的制备方法
阅读说明：本技术 一种大尺寸多孔碳材料的制备方法 (Preparation method of large-size porous carbon material ) 是由 张展 穆春丰 张大奎 贾楠楠 张馨予 姚君 王晓楠 于 2019-09-06 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种大尺寸多孔碳材料的制备方法,1)将二氧化硅磨成粉末,烘干；2)加入表面活性剂聚乙烯吡咯烷酮PVP和正硅酸乙酯TEOS,充分搅拌,二氧化硅粉末完全浸润液体后取出,干燥将表面活性剂蒸干,形成碳氮复合小球；3)将碳氮复合小球加入反应釜中,以乙二醇为溶剂,聚合生成小球聚合物；4)将小球聚合物和氨腈混合,形成碳氮复合材料前驱体,煅烧,形成碳氮复合材料；5)在碳氮复合材料中加入溶剂乙醇,在负压条件下进行搅拌,使二氧化硅为核心的碳氮复合小球脱离碳氮复合材料,碳氮复合小球抽滤排出,抽滤后的残留物干燥去除乙醇,完成大尺寸多孔碳材料的制备。本发明保证碳材料结构强度的基础上,降低碳材料15％以上的重量。(The invention relates to a preparation method of a large-size porous carbon material, which comprises the following steps of 1) grinding silicon dioxide into powder and drying; 2) adding surface active agents of polyvinylpyrrolidone PVP and tetraethyl orthosilicate TEOS, fully stirring, taking out after silicon dioxide powder completely soaks liquid, drying and evaporating the surface active agents to dryness to form carbon-nitrogen composite balls; 3) adding the carbon-nitrogen composite pellets into a reaction kettle, and polymerizing by using ethylene glycol as a solvent to generate pellet polymers; 4) mixing the pellet polymer and cyanamide to form a carbon-nitrogen composite material precursor, and calcining to form a carbon-nitrogen composite material; 5) adding ethanol serving as a solvent into the carbon-nitrogen composite material, stirring under a negative pressure condition to separate the carbon-nitrogen composite balls taking silicon dioxide as a core from the carbon-nitrogen composite material, carrying out suction filtration on the carbon-nitrogen composite balls, discharging, drying residues obtained after the suction filtration to remove ethanol, and completing preparation of the large-size porous carbon material. The invention reduces the weight of the carbon material by more than 15 percent on the basis of ensuring the structural strength of the carbon material.)
技术领域
本发明涉及炼焦领域，特别涉及一种大尺寸多孔碳材料的制备方法。
背景技术
碳纤维材料最早从上世纪70年代开始应用，一直作为高性能材料应用于航空航天和奢侈品行业。近年来，随着航空航天技术的商用化和民众消费水平的提高，通用级碳纤维(聚丙烯腈基碳纤维)广泛应用于家用汽车、高端运动产品和传统工业。但是，高性能碳纤维一直受困于性能和成本的两方面影响，商用化进程缓慢。
碳纤维与普通碳素材料相比的的优点是强度高、重量轻，缺点是价格昂贵，生产工艺复杂。如果能在保持普通碳材料强度的基础上，尽可能的降低碳材料的重量，即可实现碳材料商用化的目标。目前最主流的技术方案是在碳素材料中构造孔洞，降低碳素材料的整体质量。
目前流行的工艺技术主要采用物理加工方式，物理打孔或者球磨方式容易破坏现有碳材料的微观结构，造成整体强度下降。因此如果能开发一种化学加工方式，在不影响微观结构的基础上，降低碳材料重量，将快速实现碳材料商用化的目标。
专利CN201710247691.9一种小尺寸多孔碳纳米球的制备方法，将表面活性剂、有机烃类和氨水混合成澄清透明的溶液，加入间苯二酚和甲醛水溶液的混合物，搅拌形成反相微乳液体系；将该体系转入含聚四氟乙烯内衬的水热釜内密封，在80～120℃下热处理10～24h；降温后向反应液中加入破乳剂，超声、离心、洗涤、干燥、研磨、惰性气氛下高温焙烧后得到碳纳米球。本发明所述小尺寸碳纳米球的制备方法，工艺简单、经济，并且可以通过改变反应条件控制碳纳米球的尺寸。该专利采用化学和物理方法结合的方式，最后采用研磨的方式进行造型。研磨影响材料的结构强度，与纯化学处理工艺不同。
专利CN201510563597.5一种黑二氧化钛纳米棒可见光光催化剂的制备方法，本发明是要解决现有方法制备的二氧化钛对太阳光的利用率低及二氧化钛作为催化剂的电荷传输效率低的技术问题。方法：一、制备混合液；二、制备反应液；三、洗涤干燥；四、球磨；五、煅烧；六、洗涤干燥，得到黑二氧化钛纳米棒可见光光催化剂。优点：本发明制备的黑二氧化钛纳米棒可见光催化剂降解罗明丹B的降解率大于94％；本发明制备的黑二氧化钛纳米棒可见光光催化剂为棒状，尺寸为150nm～300nm。该专利采用球磨的方式进行加工，物理加工最终会影响材料的结构强度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种大尺寸多孔碳材料的制备方法，不影响碳材料结构强度的基础上，降低碳材料15％以上的重量。为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种大尺寸多孔碳材料的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)将二氧化硅磨成直径5-8μm的粉末，在80-100℃的范围内烘干2-4h，完全排出水分；
(2)在二氧化硅粉末中加入表面活性剂聚乙烯吡咯烷酮PVP和正硅酸乙酯TEOS，三者的质量比为1:0.3-0.8:2-3，充分搅拌，二氧化硅粉末完全浸润液体后取出，在100-120℃的条件下干燥6-8h，将聚乙烯吡咯烷酮PVP蒸干，正硅酸乙酯TEOS包覆在二氧化硅表面，形成碳氮复合小球；
(3)将碳氮复合小球加入反应釜中，以乙二醇为溶剂，乙二醇加入量为氮复合小球质量的4-6倍，温度控制在180-220℃之间，搅拌速率控制在45-60r/min之间，聚合反应持续2-4h，生成小球聚合物；
(4)将小球聚合物和氨腈混合，氨腈加入量为小球聚合物质量的2-3倍，在60-80℃下进行搅拌，使氨腈完全浸润小球聚合物，形成碳氮复合材料前驱体，然后在1800-2000℃进行煅烧，去除乙二醇和残留的聚乙烯吡咯烷酮PVP，形成碳氮复合材料；
(5)在碳氮复合材料中加入溶剂乙醇，乙醇加入量为碳氮复合材料质量的8-10倍，在负压条件下进行搅拌，使二氧化硅为核心的碳氮复合小球脱离碳氮复合材料，并随溶剂在负压条件下抽滤排出，抽滤后的残留物在60-80℃的条件下进行干燥去除乙醇，完成大尺寸多孔碳材料的制备。
所述的大尺寸多孔碳材料的孔径直径大于50nm。
与现有的技术相比，本发明的有益效果是：
本发明为化学方法制备大尺寸多孔碳材料，不影响碳材料结构强度的基础上，降低碳材料15％以上的重量。
本发明碳材料成孔原理：以二氧化硅为核心，通过包覆材料使其聚合，形成二氧化硅粉末的聚合物，微观下为小球聚集体。利用氨腈填满小球聚集体中的空隙，之后去除小球，小球原位置形成孔洞。
附图说明
图1为本发明的制备工艺流程图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进一步说明：
以下实施例对本发明进行详细描述。这些实施例仅是对本发明的最佳实施方案进行描述，并不对本发明的范围进行限制。
实施例1
一种大尺寸多孔碳材料的制备方法，具体包括：
1)取二氧化硅20g，磨成平均粒径6μm的粉末，在90℃的条件下烘干3h，完全排出水分。
2)在二氧化硅中加入表面活性剂聚乙烯吡咯烷酮8g和正硅酸乙酯30g，充分搅拌，二氧化硅粉末完全浸润液体后取出，在110℃的条件下干燥7h，将溶剂聚乙烯吡咯烷酮蒸干。使正硅酸乙酯包覆在二氧化硅表面，形成碳氮复合小球24g。
3)将碳氮复合小球加入反应釜中，加入120g乙二醇为溶剂，温度控制在190℃，搅拌速率控制在50r/min，聚合反应持续3h，生成小球的聚合物18g。
4)将小球聚合物和36g氨腈混合，在80℃下进行搅拌，使氨腈完全浸润小球聚合物，形成碳氮复合材料前驱体26g。然后在1900℃进行煅烧，去除乙二醇和残留的聚乙烯吡咯烷酮PVP，形成碳氮复合材料23g。
5)在碳氮复合材料中加入190g乙醇，在负压条件下进行搅拌，使二氧化硅为核心的碳氮复合小球脱离碳氮复合材料，并随溶剂在负压条件下抽滤排出。抽滤后的残留物在60℃的条件下进行干燥，形成大尺寸多孔碳材料7.4g。
经测量，上述材料真密度1.63g/m3，与市场主流碳材料国标(真密度大于2.12g/m3)相比，降低23.1％，抗拉强度3400MPa，与同等级T700碳纤维相同。
实施例2
一种大尺寸多孔碳材料的制备方法，具体包括：
1)取二氧化硅10g，磨成平均粒径7μm的粉末，在80℃的条件下烘干2h，完全排出水分。
2)在氧化硅中加入表面活性剂聚乙烯吡咯烷酮3g和正硅酸乙酯15g，充分搅拌，二氧化硅粉末完全浸润液体后取出，在100℃的条件下干燥6h，将溶剂全部蒸干。使正硅酸乙酯包覆在二氧化硅表面，形成碳氮复合小球13g。
3)将碳氮复合小球加入反应釜中，加入55g乙二醇为溶剂，温度控制在180℃，搅拌速率控制在45r/min，聚合反应持续2h，生成小球的聚合物12g。
4)将小球聚合物和25g氨腈混合，在70℃下进行搅拌，使氨腈完全浸润小球聚合物，形成碳氮复合材料前驱体17g。然后在1900℃进行煅烧，去除乙二醇和残留的聚乙烯吡咯烷酮PVP，形成碳氮复合材料15g。
5)在碳氮复合材料中加入120g乙醇，在负压条件下进行搅拌，使二氧化硅为核心的小球脱离碳氮复合材料，并随溶剂在负压条件下抽滤排出。抽滤后的残留物在70℃的条件下进行干燥，形成大尺寸多孔碳材料4.3g。
经测量，上述材料真密度1.72g/m3，与市场主流碳材料国标(真密度大于2.12g/m3)相比，降低18.9％，抗拉强度3400MPa，与同等级T700碳纤维相同。
实施例3
1)取二氧化硅100g，磨成平均粒径5μm的粉末，在100℃的条件下烘干4h，完全排出水分。
2)在氧化硅中加入表面活性剂聚乙烯吡咯烷酮40g和正硅酸乙酯300g，充分搅拌，二氧化硅粉末完全浸润液体后取出，在120℃的条件下干燥8h，将溶剂全部蒸干。使正硅酸乙酯包覆在二氧化硅表面，形成碳氮复合小球136g。
3)将碳氮复合小球加入反应釜中，加入800g乙二醇为溶剂，温度控制在220℃，搅拌速率控制在60r/min，聚合反应持续4h，生成小球的聚合物122g。
4)将小球聚合物和366g氨腈混合，在80℃下进行搅拌，使氨腈完全浸润小球聚合物，形成碳氮复合材料前驱体154g。然后在2000℃进行煅烧，去除乙二醇和残留的聚乙烯吡咯烷酮PVP，形成碳氮复合材料143g。
5)在碳氮复合材料中加入1100g乙醇，在负压条件下进行搅拌，使二氧化硅为核心的小球脱离碳氮复合材料，并随溶剂在负压条件下抽滤排出。抽滤后的残留物在80℃的条件下进行干燥，形成大尺寸多孔碳材料28.6g。
经测量，上述材料真密度1.67g/m3，与市场主流碳材料国标(真密度大于2.12g/m3)
相比，降低20.9％，抗拉强度3400MPa，与同等级T700碳纤维相同。